-
Vorrichtung zum Lenkern eines
-
lunnelrohres Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lenken eines
ins Erdreich vorgetriebenen, an der Stirnseite mit einem Schild versehenen Tunneirohres,
bei der der Schild gegenüber dem Tunnelrohr so verstellbar ist, daß die Achse des
Schildes einen Winkel wählbarer Größe und Richtung mit der Achse des Tunnelrohres
bildet.
-
Die beim Schildvortriebverfahren einmal zu Anfang festgelegte Richtung
läßt sich bei längeren Strecken nicht ohne Hilfsmittel beibehalten, da durch unterschiedliche
Brddrücke entlang des Tunnelrohres das Tunnelrohr zum Verlaufen neigt. Es hat sich
für das Einhalten der Richtung als brauchbar erwiesen, den vorderen Teil des Tunnelrohres,
den sog. Schild, gegenüber
dem Tunnelrohr kippbar zu gestalten und
so eine Bentwirkung zu erzeugen. 3ei ersten Abweichungen von der gewünschten Richtung
wird dann mit Hilfe dieser Schildlenkung der Schild entsprechend gekippt, wodurch
die beabsichtigte Vorschubrichtung beibehalten wird.
-
Zur Lenkung des Schildes durch Kippen ist es allgemein üblich, zwischen
dem Tunnelrohrende und dem Schild, verteilt auf den Umfang des Tunnelrohres, mehrere
hydraulische Pressen anæuordnen, die individuell ansteuerbar sind. Zeigt nun das
Tunnelrohr mit dem Schild die Tendenz, von der vorgegebenen Richtung beispielsweise
vertikal nach oben abzuweichen, wird durch Vergrößerung des Pressenhubes der in
der oberen Hälfte des Tunnelrohres angeordneten Pressen der Schild nach unten gekippt,
wodurch sich eine Korrektur der Vorschubbahn in die gewünschte Richtung ergibt.
-
Dieses sehr einfache Prinzip einer Schildlenkung erweist sich bei
der praktischen Anwendung als außerordentlich kompliziert in der Handhabung. Denn
einmal muß der Schild in jede Richtung geneigt werden können, so daß sich für einen
Großteil der Richtungen eine unsymmetrische Pressenkonstellation am Umfang des Tunnelrohres
ergibt, die das Kippen in die richtige Richtung und danach das Beibehalten dieser
Richtung erschwert, zum anderen ist ein erheblicher Steueraufwand nötig, um alle
Pressen gleichmäßig unabhängig von der T.enkung an der Druckabstützung des Schildes
gegenüber dem Tunnelrohr zu beteiligen.
-
Eine Einhaltung desPressenhubes über eine Druckregelung bei einer
derartigen Schildlenkung ist zwar denkbar, jedoch nicht geeignet, weil auch der
Schild auf inhomogenes Erdreich trifft, das unterschiedliche Drücke stirnseitig
auf den Schild ausübt, wodurch bei rein druckgesteuerten Pressen eine unerwünschte,
unkontrollierbare Verstellung der Benkrichtung eintreten würde. Andererseits ist
aber eine rein wegabhängige Steuerung
außerordentlich ungünstig,
weil dann die Traganteile bei der Druckabstützung der einzelnen Pressen schlecht
zu kontrollieren sind. Es muß also eine Mischung von druck- und wegabhängiger Steuerung
angewendet werden, deren Verwirklichung außerordentlich schwierig ist. So muß aus
Gründen der gleichmäßigen Druc.sabstützung der Schild auf einem durch die Pressen
gebildeten Druckpolster in der gewünschten Richtung gehalten werden.
-
Zur richtigen Einschätzung der vorhandenen Schwierigkeiten sei erwähnt,
daß die Benkausschläge bei derartigen Schildlenkungen außerordentlich gering sind
und entsprechend genau eingehalten werden müssen. Eine Abweichung der Schildmittelachse
von der des Tunnelrohres um etwa 30 ist schon ein äußerster Grenzfall; im allgemeinen
wird der Schild um wesentlich geringere Werte gekippt. Entsprechend hoch sind die
Anforderungen an die Beibehaltung der Schildlage gegenüber dem Eunnelrohr, was selbstverständlich
erhöhte Aufwendungen bei der Steuerung und Kontrolle der Schildlenkung zur Polge
hat.
-
Außerdem bedarf es im allgemeinen eines hochqualifizierten, erfahrenen
Personals, um ein Tunnelrohr über eine größere Vortriebslängç auf Kurs zu halten.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lenkung zu schaffen, die bei gleichmäßiger
Druckverteilung des Schilddruckes auf das Tunnelrohr einen vorwählbaren Benkbetrag
trotz unterschiedlichen Erddruckes beibehält, ohne ständig kontrolliert werden zu
mussen, außerordentlich einfach in der Bedienung ist und nur einen minimalen Steueraufwand
benötigt.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen Tunnelrohr
und Schild ein zylindrisches Rohr vorgesehen ist, das zwischen seinen Enden in einer
schräg zur Rohrmittelachse verlaufenden Ebene durchtrennt ist, wobei die so entstandenen
Taumelscheiben sowohl mit der auf ihrer Mantelfläche senkrecht
stehenden
Grundfläche am Tunnelrohr bzw. am Schild als auch untereinander drehbar verbunden
sind.
-
Im Unterschied zu einer herkömmlichen Schildlenkung handelt es sich
bei der Erfindung nicht um einen schwimmend gedrückten Schild, sondern dieser ist
mechanisch, formschlüssig in der jeweils gewünschten Position gegenüber dem Tunnelrohr
an diesem in axialer Richtung unverrückbar befestigt, Es handelt sich dabei ja um
ein reines Zwischenlegen von zwei aumelscheiben zwischen Schild und Tunnelrohr,
wodurch sich der Schild permanent in fester Anlage an dem Tunnelrohr befindet, wobei
die Anlagefläche durch die schräge Teilungsebene der Eaumelscheiben verschieden
stark und in jede Richtung gekippt werden kann. Dazu ist es allerdings erforderlich,
daß die Tawnelscheiben gegeneinander und gegenüber dem Schild und dem Tunnelrohr
drehbar angeordnet sind.
-
Zwei Taumelscheiben entstehen zum Beispiel dann, wenn man ein zylindrisches
Rohr, annähernd vom Durchmesser des Tunnelrohres zwischen seinen plan-parallelen
Seiten in einer zu diesen Seiten geneigt verlaufenden Ebene durchtrennt. Jede aumelscheibe
besitzt dann eine zu ihrer Intelfläche senkrecht stehende Fläche, im folgenden Grundfläche
genannt, und eine Schrägfläche.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht nun zwischen Schild und Tunnelrohr
zwei solcher Daumelscheiben vor, die mit ihrer Grundfläche am Schild bzw. am Tunnelrohr
und mit ihren Schrägflächen aneinander in axialer Richtung spielfrei, drehbar befestigt
sind. Befinden sich die beiden Taumelscheiben in einer Position zueinander, die
gemäß obigem Beispiel vor der Trennung vorhanden ist (im folgenden Grundstellung
genannt), so steht der Schild genau senkrecht auf der Achse des Tunnelrohres. Wird
nun die eine Taumelscheibe gegen die andere verdreht, wobei der Schild und das Tunnelrohr
stehenbleiben, addieren sich die hohen Anteile der Taumelscheiben zu einem
größeren
Abstand der einen Kreishälfte zwischen Schild und Tunnelrohr gegenüber der anderen
Kreishälfte. Das IiB imwm wird bei einer Drehbewegung von 1800 aus der Grundstellung
erreicht; jegliches Weiterdrehen vermindert den Abstand wieder bis zum Ausgangspunkt,
bei dem alle Abstände gleich sind.
-
Wird hingegen bei einer von der Grundstellung verschiedenen Stellung
der Taumelscheiben zueinander das aumelscheibenpaar ohne Relativbewegung zueinander
gegenüber dem Schild und dem Tunnelrohr gedreht, so ändert sich entsprechend der
Drehung die Richtung der Auslenkung. Die beiden die Lenkung bestimmenden Größen,
nämlich Benkausschlag und Benkrichtung, lassen sich also stufenlos und unabhängig
voneinander einstellen, wobei das Verdrehen der Taumelscheiben gegensinnig zueinander
den Benkbetrag beeinflußt, das gleichsinnige Verdrehen der Taumelscheiben gegenüber
dem Schild und dem Tunnelrohr die Benkrichtung beeinflußt.
-
Die durch die Schrägflächen bedingte Durchmesservergrößerung bei einer
Taumelscheibenstellung, bei der beide Schrägflächen nicht deckungsgleich liegen,
ist zu vernachlässigen, da bei einem Maximallenkbetrag von sO die Schrägflächen
nur t,5° plan-parallele Abweichung zu ihren Grundflächen aufweisen.
-
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind außerordentlich genaue
Lenkbewegungen möglich. Da das Maximum des Benkbetrages von beispielsweise 30 nach
einer Drehung aus der Grundstellung von 1800 der einen Taumelscheibe gegenüber der
anderen erreicht wird, bewirkt das Verdrehen von nur einem Grad eine Benkbewegung
von dem Betrag einer Winkelminute. Ein Grad Verdrehung bedeutet bei einem 5'unnelrohrdurchmesser
von beispielsweise 8 m eine Relativbewegung der beiden Daumelscheiben am äußeren
Umfang von ca. 70 mm. Damit ist nicht nur eine ungewöhnlich genaue Lenkbewegung
möglich, sondern der Benkbetrag läßt sich ohne weitere Meßmittel direkt an den Stellgliedern
ablesen, sofern beispielsweise die höchsten
Stellen der Taumelscheiben
gekennzeichnet sind.
-
Bei konzentrischer Lagerung sowohl der Grundflächen an Schild und
Tunnelrohr als auch der Taumelscheiben untereinander liegt der Schwenkinittelpunkt
der Benkbewegung etwa in der Mitte zwischen den beiden aumelscheiben. Jede LenZrbewegung
des Schildes hat somit neben der Winkeländerung zwischen Schild-und Tunnelrohrachse
eine translatorische Bewegung der Schildstirnseite zur Folge. Dadurch besteht bei
heftigen Benkausschlägen die Gefahr, daß das den Schild führende Tunnelrohr die
Lenkkräfte nicht auffangen kann, sondern seinerseits in die entgegengesetzte Richtung
ausgelenkt wird.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb der Drehpunkt,
um den sich die beiden Taumelscheiben umeinander drehen, in Grundstellung in Richtung
auf die höchste Stelle der am Tunnelrohr befestigten Taumelscheibe hin aus der Mitte
verschoben. Entsprechend ist dann der Drehpunkt an der am Schild befestigten Taumelscheibe
um den gleichen Betrag in Richtung auf ihre niedrigste Stelle hin verschoben. Die
Abweichung von der Mittellinie richtet sich nach der Schildlänge und nach dem Maximalbetrag
der Lenkbewegung und wird so festgelegt, daß sich der Drehpunkt für die Schwenkbewegung
bei der Schildlenkung auf der Schildachse ca. auf der halben Länge des Schildes
befindet. Auf die Weise vollführt der Schild eine Benkbewegung um eine Hochachse
aus, deren symmetrische Lage während der Lenkbewegung fast nurI(räfte innerhalb
des Schildes erzeugt, wodurch das Tunnelrohrende von der Aufbringung der Benkgegenkräfte
weitgehend befreit ist.
-
Zum Verdrehen der Taumelscheiben gegenüber dem Schild bzw.
-
dem Tunnelrohr - was je nach Drehsinn ebenso das Verdrehen der Taumelscheiben
gegeneinander bzw. miteinander zur Folge hat - ist es besonders zweckmäßig, die
Taumelscheiben an den Grundflächen mit einer Innenverzahnung zu versehen, in die
dann die von Hydro- bzw. Elektromotoren angetriebenen Ritzel eingreifen. Je nach
aufzuwendendem Drehmoment sind diese
ein- oder mehrfach am Umfang
des Schildes bzw. des Tunnelrohres angeordnet. Werden sie druckgleich bzw. stromstärkengleich
angetrieben, ergibt sjch eine gleichmäßige Antriebsverteilung über die Gesamtzahl
der vorhandenen Antriebsmotoren.
-
Abweichend von einer solchen Ausführung kann selbstverständlich auch
einer der Antriebe zwischen den beiden Taumelscheiben angeordnet sein, nur muS dann
die Steuerung entsp echend angepaßt sein. Zur besseren Übersichtlichkeit der Abläufe
während der Benkbel,%regung ist es besonders zweckmäßig, die beiden Antriebe in
der Weise anzusteuern, daß die Motoren je nach der gewünschten Benkgröße stets gleichzeitig
mit gleicher Geschwindigkeit gegensinnig bzw. gleichsinnig laufen. Dies gilt unabhängig
von einer Geschwindigkeitsregelung. Dadurch wird immer nur eine Benkgröße verändert
und nicht beide gleichzeitig.
-
Die Lagerung der beiden Taumelscheiben an ihren Trägern bzw.
-
untereinander geschieht mit Hilfe.an snch bekannter, drehkranæartige
Druckager und eine radiale Führung, so daß hier auf eine Beschreibung verzichtet
werden kann.
-
Im folgenden wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung erläutert. Darin bedeuten: Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch die erfi.ndungsgemäße
Vorrichtung, Fig. 2A eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der Grundstellung Fig. 23 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bei maximalem Benkbetrag ! Wie in Fig. 1 gezeigt, ist am Ende eines
Tunnelrohres 1 ein Lagerring 2 befestigt. An ihm ist eine Taumelscheibe 4 drehbar
angeordnet, wobei eine Grundfläche 6 dem Tunnelrohr t zugewandt
ist,
während eine Schrägfläche 8 sich in unmittelbarer Nachbarschaft mit einer zweiten
Taumelscheibe 10 befindet. Diese weist ebenso eine Schrägfläche 12 und eine Grundfläche
14 auf, die einem Schild 16 zugewandt ist. Die zweite Taumelscheibe 10 ist über
weitere Lagerringe 2 sowohl an der ersten Taumelscheibe 4 als auch an dem Schild
16 drehbar gelagert.
-
In Fig. 1 ist die Grundstellung der Taumelscheiben 4 und 10 dargestellt,
das bedeutet, daß die höchste Stelle der Taumelscheibe 4 gerade mit der niedrigsten
Stelle der Taumelscheibe 10 zusammenfällt. Ihre beiden Mantelllächen bilden dabei
ein zylindrisches Rohr, das durch die Lagerringe 2 unterbrochen ist. In dieser Relativlage
der beiden Taumelscheiben 4 und 10 bewirkt eine Drehung beider Taumelscheiben in
gleicher Richtung keine Lenkbewegung, da mangels eines Benkbetrages die Benkrichtung
nicht offensichtlich wird. Dennoch wird bei einem beabsichtigten Lenkmanöver, beispielsweise
aus der Horiontalen nach unten, zuerst die Benkrichtung durch Verdrehen beider Taumelscheiben
4 und 10 in gleicher Richtung festgelegt, was in dem Beispiel bedeutet, daß jeweils
die niedrigste und höchste Stelle der beiden Taumelscheiben 4 und 10 in die Horizontale
verfahren wird. Es sei dabei, vom Tunnelrohr 1 auf den Schild 16 gesehen, die höchste
Stelle der Taumelscheibe 4 nach rechts, die höchste Stelle der Taumelscheibe 10
nach links verfahren. Zu einer Benkbewegung des Schildes abwärts nach unten werden
dann die beiden Taumelscheiben 4 und 10 mit ihren höchsten Stellen entlang dem oberen
Halbkreis des Tunnelrohres aufein.ander zubewegt. Die maximale Auslenkung wird erreicht,
wenn sich beide höchsten Stellen in der Mitte des oberen Tunnelhalbkreises treffen.
-
Die Taumelscheiben 4 und 10 sind an ihrer inneren Mantelfläche zweckmäßigerweise
mit einer Innenverzahnung 18 versehen, in die Ritzel 20 eingreifen, die von Antrieben
22 in beiden Richtungen gedreht werden können. Je ein Antrieb 22 ist am Schild 16
und am Tunnelrohr 1 befestigt. Geht man einmal
von gleicher Antriebsgeschwindigkeit
der Ritzel 20 aus, dann werden die Lenkbewegungen des Schildes 16 durch die Drehrichtung
der Antriebe 22 bestimmt. Laufen sie in der Weise um, daß sich die Vaumelscheiben
4 und 10 gleichsinnig bewegen, wird die Ben'Krichtung beeinflußt, verdrehen sich
die Taumelscheiben zueinander, so wird der Benkbetrag verandert. Es ist zweckmäRig,
die Antriebe 22 in der Weise zu gestalten, daß sie in Ruhestellung gebrenst werden,
wodurch ein unbeabsichtigtes Verstellen der aumelscheiben 4 und 10 unterbunden ist.
-
Als Antrieb können sowohl Elektromotoren als auch 1Ldroinotoren verwendet
werden, die beide den Vorzug aufweisen, bei einer Stromstärkenregelung für die Elektromotoren
und bei einer Druckregelung für die Hydromotoren im Verbund mit weiteren Antriebseinheiten
am Umfang der Innenverzahnung eine überall gleichmäßige Drehkraft zu erzeugen. Die
Anzahl der Antriebseinheiten wird je nach Leistungsfähigkeit und aufzuwendendem
Drehmoment für jeden Anwendungsfall gesondert bestimmt.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Drehpunkt der beiden
Taumelscheiben 4 und 10 untereinander um den Betrag e aus der Mittelachse des Tunnelrohres
exzentrisch verschoben. In Fig. 2t ist schematisch die Grundstellung der Daumelscheiben
4 und 10 gezeigt. Sie bilden zusammen ein zylindrisches Rohr; die Schrägflächen
8 und 12 liegen deckungsgleich aufeinander. In Fig. 2B ist die Maximalauslenkung
des Schildes 16 dargestellt. Der exzentrische Drehpunkt führt zu einem seitlichen
Versetzen der Schrägflächen 8 und 12, so daß sie nun nicht mehr deckungsgleich sind.
Der Schild 16 hat sich annähernd um einen Punkt D bei seiner halben Länge auf seiner
Mittelachse gedreht, so daß er im ihn umgebenden Erdreich nur eine Drehbewegung
und keine translatorische Bewegung ausgeführt hat. Die daraus resultierenden Gegenkräfte
wirken nur auf den Schild, wodurch das Tunnelrohr 1 weitgehend von durch die Lenkung
hervorgerufenen
Lenkgegenkräften befreit und eine Verlagerung ausgeschlossen ist. Dieser Effekt
ist nicht auf den I2aximalausschlag beschränkt, sondern wirkt in entsprechender
Weise bei jeglichem Benkausschlag. (Zur besseren Übersicht bei der Erläuterung des
Prinzips ist in den Fig. 2A und B auf die Darstellung von Maschinenelementen, wie
Lagerung und Antrieb, verzichtet worden; außerdem ist der Benkbetrag übertrieben
dargestellt.) - Patentansprüche -
L e e r s e i t e